高壓環(huán)境等離子切割電弧數(shù)值模擬

王路明， 高輝， 周燦豐， 陳林柯， 佟浩東

(1.北京石油化工學院，北京 102617;2.中國石油大學(北京)，北京 102299)

0 前言

等離子弧切割與TIG(Tungsten inert gas welding)電弧基本相同，TIG電弧也被認為是等離子態(tài)。其都是在陰極和陽極區(qū)之間形成的一種強烈持久的氣體放電現(xiàn)象。根據(jù)等離子體粒子溫度的不同，TIG焊接電弧屬于低溫等離子體[1]，而等離子切割產(chǎn)生的電弧屬于高溫等離子體，因此等離子弧被認為是焊接電弧的升級[2-3]。趙華夏等人[4-5]對高壓環(huán)境下的TIG的物性參數(shù)進行了分析研究，研究表明電弧弧心最高溫度隨壓力的增大而減小。喬慧娟[6]借助高速攝像對高壓下TIG電弧進行研究，模擬結(jié)果與電弧實時拍攝結(jié)果都表明電弧形態(tài)呈鐘罩狀，電弧的最高溫度隨著環(huán)境壓力的增加而降低。楊曉峰等人[7]研究了0.1～0.5 MPa環(huán)境壓力對TIG焊接過程的影響，在200 A的焊接電流條件下進行了高壓環(huán)境焊接試驗。但對高壓環(huán)境下等離子弧切割數(shù)值模擬分析研究較少。在高壓環(huán)境下，等離子弧切割的難點在于高氣壓下的引弧即產(chǎn)生等離子弧，然后是控制等離子弧使其在高氣壓下具有足夠的穩(wěn)定性。因此需要進行高氣壓等離子切割電源引弧系統(tǒng)研究，研制能夠在高壓力環(huán)境下可靠引弧的高頻引弧電路，然后在此基礎之上開發(fā)高氣壓等離子切割電源。

等離子弧切割具有電弧能量密度高、切割質(zhì)量好、速度快等優(yōu)點，被廣泛應用于切割、焊接、噴涂、冶金、材料、化工和廢物處理等工業(yè)領(lǐng)域[8]。其中空氣等離子切割是利用電離壓縮空氣后產(chǎn)生的電弧熱進行切割。等離子弧本質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象，因此氣體介質(zhì)對電弧特性必然會造成很大的影響，起首要影響因素是環(huán)境壓力。數(shù)值模擬在解決一些專業(yè)問題上有著獨特的優(yōu)勢，通過對等離子切割電弧的仿真模擬，其模擬結(jié)果能夠預測等離子切割過程中的物理現(xiàn)象和熱變形，從而取代部分工藝試驗節(jié)約成本加快研發(fā)[9]。因此，文中基于Fluent軟件采用數(shù)值模擬的方法，在不同工藝參數(shù)下研究環(huán)境壓力對等離子切割電弧溫度場分布的影響，對實際空氣等離子弧切割過程具有重要的指導意義。

1 數(shù)學模型

由于等離子切割電弧在切割過程中是一個近似軸對稱熱源，并假設等離子電弧是二維軸對稱的，因此，采用軸對稱模型對等離子切割電弧進行仿真模擬研究，為了簡化仿真模擬，取其中一半做模擬仿真。文中對等離子切割電弧的仿真模擬主要是針對其噴嘴處等離子流的模擬，試驗中采用的等離子切割槍噴嘴和鎢極型號為P80，測量其尺寸后建立與試驗相同尺寸的幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.1 基本假設

電弧是一個等離子流體，其知識涵蓋了電學、熱力學、流體動力學及電磁力學，文中主要將熱流體力學與電磁學進行結(jié)合，利用磁流體動力學理論構(gòu)建了電弧數(shù)學模型。等離子切割電弧在穩(wěn)態(tài)時，可以近似成一軸對稱的鐘罩狀的熱源，因此采用軸對稱模型。為了簡化等離子切割電弧內(nèi)部復雜的熱力學現(xiàn)象，在建立電弧數(shù)學模型時提出以下假設[10-12]：①電弧為光學薄且不可壓縮，即電弧對熱量輻射的重新吸收相對于電弧的熱量損失可以忽略不計；②電弧等離子體是二維軸對稱的；③等離子體的物性參數(shù)只隨溫度變化，壓力對物性參數(shù)無影響；④電弧等離子體無重力；⑤電弧處于局部熱平衡(LTE)狀態(tài)

1.2 控制方程

由于文中采用二維軸對稱的假設，根據(jù)磁流體動力學理論給出該假設下的磁流體方程組[13]，如式(1)～式(8)所示。

納維-斯托克方程組見式(1)～式(3)。

質(zhì)量連續(xù)性方程：

(1)

軸向動量方程：

(2)

徑向動量方程：

(3)

能量守恒方程：

麥克斯韋方程組見式(5)～式(8)。

電流連續(xù)性方程：

(5)

歐姆定律：

(6)

(7)

安培環(huán)流定律：

(8)

式中：u為軸向z的速度；v為徑向r的速度；P為靜壓力；ρ為空氣密度；μ為空氣動力粘度系數(shù)；CP為空氣比熱容；κ為空氣導熱系數(shù)；σ為空氣電導率；φ為電勢；T為溫度；Jr為徑向電流密度；Jz為軸向電流密度；B0為自感應磁場；μ0為真空磁導率；Fz為軸向動量源項；Fr為徑向動量源項；Q為能量方程源項。

在編寫UDF文件時，由控制方程可知電磁力J×B就是它的源項。定義源項需要的宏命令為DEFINE_SOURCE(name, c, t, dS, eqn)，完成的軸向源項UDF如下：

DEFINE_SOURCE(radial_mom_source, c, t, dS, eqn)

{

real source, x[ND_ND], B, jz;

C_CENTROID(x, c, t);

jz=-Sigma*Vz;

B=Mu*x[1]*jz;

source=-B*jz;

dS[eqn]=0;

return source;

}

其他的源項源項方程依次編寫完成后加入到FLUENT求解器中去即可。

1.3 邊界條件

各邊界條件的類型與物理參數(shù)信息見表1。表中：ugive為空氣的流速；Jgive為軸向電流密度。

表1 計算區(qū)域的邊界條件

1.4 網(wǎng)格劃分

在建立正確的幾何模型之后，需要對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是數(shù)值計算的基礎，它對計算結(jié)果的準確性有著直接影響，一般網(wǎng)格數(shù)量越少，計算時間越短，計算精度就會越低；相反，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算時間就會越長，計算精度也會相應的提升，因此需要考慮著2個因素從而確定網(wǎng)格數(shù)量。文中模型劃分后的網(wǎng)格數(shù)為374 958個，劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果分析

文中分別在環(huán)境壓力為0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa下切割電流為60 A，80 A，100 A的基礎上，通過迭代求解獲得不同環(huán)境壓力條件下的空氣等離子切割電弧模擬結(jié)果，并對模擬結(jié)果做出分析。

在常壓環(huán)境切割電流為60 A的條件下，等離子切割電弧數(shù)值模擬結(jié)果如下圖3a所示，從圖中可以看出在60 A的切割電流下電弧最高溫度為16 100 K，且電弧中心區(qū)域溫度高于邊緣區(qū)域溫度，溫度沿著陰極邊緣向上逐漸減低。在高壓環(huán)境0.2～0.4 MPa下，等離子切割電弧最高溫度低于常壓下0.1 MPa電弧最高溫度，其變化趨勢由常壓下的16 100 K逐漸降到0.4 MPa下的12 600 K，電弧最高溫度隨著環(huán)境壓力增加呈現(xiàn)降低趨勢。

圖3 不同環(huán)境壓力下60 A切割電流

在常壓環(huán)境切割電流為80 A的條件下，常壓空氣等離子切割電弧數(shù)值模擬結(jié)果如圖4a所示，在此切割電流下等離子切割電弧模擬結(jié)果的最高溫度高于60 A時的切割電流模擬結(jié)果，為17 400 K，且相比于60 A切割電流的電弧中心區(qū)域溫度均有所升高。

圖4 不同環(huán)境壓力下80 A切割電流

在常壓環(huán)境切割電流為100 A的條件下，常壓空氣等離子切割電弧數(shù)值模擬結(jié)果如圖5a所示，在此切割電流下等離子切割電弧的最高溫度高于60 A和80 A的模擬結(jié)果，為18 900 K，且中心區(qū)域溫度升高，在切割電弧形狀上，隨著電流的變化，等離子切割電弧形狀基本沒有變化，都呈“圓柱狀”。

圖5 不同環(huán)境壓力下100 A切割電流

模擬的溫度分布云圖清晰的顯示了電弧不同溫度的分布。不同電流下，等離子切割電弧的溫度場變化趨勢相同，即溫度場分布從陰極向陽極逐漸擴散，溫度分布也逐漸平緩。軸向溫度隨離陰極距離的增大而減小。同一徑向界面上，溫度隨著遠離軸線處而減小。

通過上述模擬等離子切割電弧溫度場可以看出，等離子體在進入噴嘴小孔之后溫度最高，這是因為等離子體進入噴嘴小孔之后，受到壁壓縮作用，噴嘴電流密度增大，所以等離子體可以一直維持很高的溫度。當?shù)入x子體從噴嘴中噴射出后，等離子體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，并且與周圍環(huán)境中的冷氣流發(fā)生了強烈的相互作用，所以等離子體溫度在噴口外有很明顯的下降。

以80 A切割電流為例，不同環(huán)境壓力下溫度場的最高溫度與常壓下相比呈下降趨勢，其中常壓下的電弧的最高溫度為17 400 K，在環(huán)境壓力為0.4 MPa下，電弧的最高溫度下降到13 800 K，這是由于隨著環(huán)境壓力的升高空氣等離子體的物性參數(shù)發(fā)生了變化，隨著壓力的升高，空氣等離子體的熱輻射增加，電弧與外界空氣的熱交換顯著增加，使得電弧整體溫度下降。

2.2 常壓及高壓下的等離子弧切割試驗

該試驗平臺在WXC2.4DL1型載人高壓焊接試驗艙中進行，搭建了如圖6所示的等離子弧切割試驗平臺，試驗平臺包括半自動切割小車和切割平臺系統(tǒng)，電弧監(jiān)控系統(tǒng)，外圍設備包括切割電源、切割氣源等。切割電源和監(jiān)控攝像頭通過高壓穿倉進行連接，氣源兩者通過穿艙端子進行連接，實現(xiàn)艙外對艙內(nèi)切割過程的控制。其中關(guān)鍵在于高氣壓等離子切割電源引弧系統(tǒng)的設計，為解決高壓環(huán)境下空氣電離問題，設計了高壓包即行輸出變壓器，由一級線圈、二級線圈和鐵芯組成，工作時先給一級線圈充電，然后通過二級線圈互感產(chǎn)生高壓電，最后通過切割槍實現(xiàn)電離空氣，達到引弧的目的。

圖6 等離子弧切割試驗平臺

試驗中利用電弧監(jiān)控裝置分別對不同環(huán)境壓力下的空氣等離子切割電弧進行了拍攝，切割速度為50 mm/min，進氣壓力為0.6 MPa，割槍高度為5 mm，切割材料為X65，在60 A電流下，電弧監(jiān)控拍攝的不同環(huán)境壓力下的等離子切割電弧形態(tài)如圖7所示，在高壓環(huán)境下空氣等離子切割電弧電弧穩(wěn)定，由于受到周圍空氣的擠壓出現(xiàn)收縮，從整體上以鎢極為中心對稱，呈“圓柱狀”。在空氣等離子切割槍噴嘴處，電弧亮度最大，并以鎢極為中心軸，隨著軸向距離的增大，電弧亮度逐漸減弱，直至環(huán)境一致。切割電流60 A下弧長變化趨勢如圖8所示，圖中可知不同壓力下，切割電弧弧長隨著環(huán)境壓力的增大逐漸減小，由常壓下的3.719 mm減小到0.4 MPa下的3.274 mm。

圖7 不同環(huán)境壓力下等離子切割電弧形態(tài)

圖8 切割電流60 A弧長變化趨勢圖

3 結(jié)論

(1)在相同壓力下隨著切割電流的增大，空氣等離子切割電弧最高溫度呈上升趨勢；在相同切割電流條件下，隨著環(huán)境壓力的增大，空氣等離子切割電弧最高溫度有所下降。

(2)相同壓力環(huán)境下，不同電流等離子切割電弧的溫度場變化趨勢大體相同，溫度場從陰極向陽極擴散，軸向溫度逐漸減小。

(3)通過焊接電弧監(jiān)控系統(tǒng)對環(huán)境壓力為0 MPa，0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa下的焊接電弧進行了采集，試驗結(jié)果表明高壓環(huán)境下電弧受到周圍空氣的擠壓出現(xiàn)收縮，但是隨著環(huán)境壓力的升高，這種收縮現(xiàn)象并不明顯且電弧弧長呈現(xiàn)下降的趨勢。